PHYSIQUE DES MICRO- et NANOSTRUCTURES PHY 723
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doctorat, Supérieur, Doctorat (bac+8)
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Français
Université de SherbrookePlan de cours Faculté des sciencesTrimestre d’automne 2009 Départementde PhysiquePHYSIQUE DES MICRO et NANOSTRUCTURES PHY 723 COURSPROFESSEURTitre: Physiquedes micro etNom :D. Morris nanostructures Bureau: D210845 Sigle :PHY 723 Horairede disponibilité : Crédits :3 àdéterminer au début du cours Cours magistraux :4 heures/semaine Travail personnel :5 heures/semaine PLACE DU COURS DANS LE PROGRAMME Type de cours :optionnel (module nanotechnologies et nanosciences du baccalauréat en e physique; diplôme 2cycle en nanomatériaux; maîtrise en physique ou en génie électrique; doctorat en physique) Cours préalables :PHQ 585 Physique du solide ou un équivalent Cours concomitants :AUCUN
MISE EN CONTEXTE DU COURS Les avancées technologiques des 30 dernières années ont permis de parfaire les techniques de fabrication et de caractérisation de microstructures semiconductrices et de nanomatériaux. Par une approche dite «bottomup »il est maintenant possible de faire croître des multicouches semiconductrices et des nanomatériaux avec un contrôle des épaisseurs et de la taille à l’échelle nanométrique. Par une approche dite « topdown » il est aussi possible de réaliser des dispositifs micro et nanostructurés utiles pour une intégration à grande échelle dans un circuit électronique ou photonique. Les propriétés structurelles de ces structures et matériaux peuvent être obtenues via une panoplie de techniques de caractérisation de pointe (diffraction des rayonsX, AFM, STM, SEM, etc.). Diverses techniques optiques (photoluminescence, absorption, cathodoluminescence, etc.) et de transport électronique (effet Hall, IV, CV, etc.) permettent d’avoir accès à leurs propriétés physiques. Dans le cas de structures à dimensionnalité réduite, des effets quantiques peuvent apparaître et modifier significativement les propriétés optiques et électroniques de ces matériaux. Des approches analytiques et numériques découlant des équations fondamentales de la mécanique quantique et de la physique statistique, permettent de bien expliquer l’origine microscopique des propriétés physiques de ces matériaux. Il est maintenant possible de concevoir des microstructures et nanomatériaux artificiels avec des propriétés spécifiquement dédiées à une application particulière, telle la détection d’une biomolécule spécifique. Le cours PHY 723 abordera quelques aspects de la physique des microstructures et nanostructures essentiels à la compréhension d’un grand nombre de dispositifs électroniques, optoélectroniques et photoniques modernes. OBJECTIF GÉNÉRAL Le cours PHY 723 vise à décrire les phénomènes physiques régissant les propriétés électroniques et optiques des microstructures et des nanomatériaux, ainsi que le fonctionnement de dispositifs avancés intégrant ce type de matériaux. PLAN DE LA MATIÈRE ET OBJECTIFS SPÉCIFIQUES Le contenu du cours est réparti en 7 thèmes, dont la liste est donnée ciaprès. Les sujets abordés, le nombre approximatif d’heures de cours correspondant, et les objectifs spécifiques à accomplir par l’élève à la fin de chaque thème, sont indiqués. Thème 1.: quelques rappels de mécanique quantique (4Fonctions d’onde et états électroniques heures) Fonction d’onde et paquet d’ondes. Opérateurs, valeurs propres et fonctions propres, équation de Schrödinger. Conditions aux frontières et normalisation de la fonction d’onde. Quantification des états d’énergie d’un électron confiné dans une boîte. Thème 2.Physique des semiconducteurs et structure de bandes (5 heures)
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Réseau cristallin, notions de symétrie. Des orbitales atomiques à la structure de bandes. Structure de bandes de différents semiconducteurs (Si, Ge et IIIV). Masse effective et densités d’états. Couplage spinorbite. Méthodekpde calcul de bandes. Thème 3.Hétérostructures, micro et nanostructures (8 heures) Croissance et fabrication : modulation de dopage et de composition, autoassemblage, gravure. Différents types d’hétérostructures, de micro et de nanostructures. Nanocristaux. Densité d’états 2D, 1D et 0D. Thème 4.États excitoniques, impuretés et états de surface (4 heures) Excitons libres et liés, complexes excitoniques. Impuretés : type hydrogénoïde, niveaux profonds, états d’interface et de surface. Thème 5.Propriétés optiques de micro et nanostructures (9 heures) Éléments de matrice pour l’absorption. Règles de sélection. Transitions directes et indirectes, intra et interbandes. Aperçu des techniques de caractérisation des propriétés optiques. Caractéristiques typiques de quelques microstructures et nanostructures. Électroabsorption, effet Stark, effet Kerr, et effet photoréfractif Thème 6.: influence sur lesMicrostructuration des matériaux et des surfaces de dispositifs propriétés optiques (4 heures) Guide d’onde et cavité optique Matériaux à gap photonique Thème 7.Application aux dispositifs optoélectroniques et photoniques (6 heures) Photodétecteurs et cellules solaires Émetteurs de lumière largebande Laser à puits quantiques Source à photons uniques Mémoires optiques
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MÉTHODE PÉDAGOGIQUE Exposés magistraux.professeur y expose les concepts importants du cours. Durant ces Le périodes, les élèves sont fortement encouragés à poser des questions. Le professeur utilise principalement des présentations PowerPoint (accessibles via sa page WEB personnelle). Le rythme des exposés devrait permettre aux élèves d’annoter les notes du professeur et d’y ajouter des compléments comme des démonstrations. Séances d’exercices. Lorsde ces séances, le professeur aide les élèves à poser correctement le problème et résume la méthodologie à suivre pour résoudre ce problème. Devoirs.Des retours sont faits en classe sur les problèmes rencontrés par les élèves dans leurs devoirs. ÉVALUATION Les évaluations, détaillées au point 1 cidessous, sont sommatives. L’évaluation formative résulte de l’interaction entre le professeur et les étudiants lors du retour en arrière fait après chacune des évaluations sommatives. 1.Méthodes d’évaluation : 3 devoirs; 2 résumés d’article scientifique; Un examen final 2.Pondération : 30% pour les devoirs; 30% pour les exposés oraux; 40% pour le final. 3.Descriptif des méthodes d’évaluation: Devoir:Travail individuel consistant à résoudre des problèmes d’applications des connaissances et notions vues en classe. Résumé:Travail individuel consistant en une présentation de 10 à 15 minutes résumant un article paru dans la littérature spécialisée. Le choix de l’article est fait par le professeur. La présentation est faite en classe devant les autres élèves. Noter que les exigences pour ces résumés seront plus importantes pour les étudiants aux études supérieures. Examen:Examen de type traditionnel avec documentation permise. 4.Calendrier des activités d’évaluation : Les devoirs seront répartis tout au long de la session; 4
Le premier exposé devrait se tenir durant la semaine des intra tandis que le second exposé devrait avoir lieu durant les deux dernières semaines de cours. BIBLIOGRAPHIEFundamentals of Nanoelectronics, George W. Hanson Énergie et Fonctions d’Onde des Semiconducteurs, Guy Fishman Quantum Semiconductor Structures, Fundamentals and Applications,C. Weibuch and B. Vinter WaveMechanics Applied to Semiconducteurs Heterostructures, Gerald Bastard e Physique des Semiconducteursédition, Henry Mathieu, 5 Electronic States and Optical Transitions in Solids, Bassani and Pastori Parravicini Nanostructures : Theory and Modelling, C. Delerue and M. Lannoo Quantum Dots: L. Jacak, P. Hawrylak, A. Wojs Optics of Semiconductors and Their Nanostructures, H. Kalt and M. Hetterich (eds) Nanooptoelectronics : Concepts Physics and Devices,M. Grudmann (ed.) Quantum Dot Heterostructures, D. Bimberg, M. Grundmann and N.N. Ledentsov nd Photonic Crystal: Molding the flow of light, 2edition, J. Joannopoulos, S.G. Johnson, J. N. Winn, R.D. Meade
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FICHE SIGNALÉTIQUE PHY 723 (3 crédits) Physique des micro et nanostructures Objectif(s) Comprendre les concepts physiques décrivant les propriétés électroniques et optiques des micro et nanostructures, et les applications aux dispositifs avancés. Contenu Structure de bandes électroniques des semiconducteurs. Gaz électronique à dimensionnalité réduite, quantification électronique. Nanocristaux, micro et nanostructures. Impuretés et états de surface. Propriétés optiques linéaires et non linéaires : règles de sélection, effet Kerr, effet photoréfractif, électroabsorption, amplification optique. Matériaux à gap photonique, cavités et guides d'ondes. Applications aux sources laser, aux sources à photon unique, aux photodétecteurs, ainsi qu'aux mémoires optiques. Préalable(s) PHQ 585
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